(57)【要約】【課題】膜電極接合体またはガス拡散層の空気出口側の気孔率が、空気入口側よりも相対的に高めに維持することができ、空気出口側の水の排出性を確保することができ、燃料電池の発電性能を向上させるのに有利な燃料電池素材の加圧方法を提供する。【解決手段】ＭＥＡ３０を第１加圧体３００及び第２加圧体４００で挟んで厚み方向に加圧する。加圧工程では、膜電極接合体１００またはガス拡散層の空気出口側の加圧量を、ＭＥＡ３０の空気入口側の加圧量よりも少なく設定する。第１加圧体３００と第２加圧体４００との間にスペーサ６０を介在させることができる。【選択図】  図７
2006004808.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体またはガス拡散層と、これらを厚み方向に加圧可能な第１加圧体及び第２加圧体とを用意する工程と、
前記膜電極接合体または前記ガス拡散層を前記第１加圧体及び前記第２加圧体で挟んで厚み方向に加圧する加圧工程とを実施する燃料電池素材の加圧方法において、
前記加圧工程では、前記膜電極接合体または前記ガス拡散層の酸化剤ガス出口側の加圧量を、前記膜電極接合体または前記ガス拡散層の酸化剤ガス入口側の加圧量よりも少なく設定することを特徴とする燃料電池素材の加圧方法。
【請求項２】
膜電極接合体またはガス拡散層と、これらを厚み方向に加圧可能な第１加圧体及び第２加圧体とを用意する工程と、
前記膜電極接合体または前記ガス拡散層を前記第１加圧体及び前記第２加圧体で挟んで厚み方向に加圧する加圧工程とを実施する燃料電池素材の加圧方法において、
加圧に先立ち、スペーサをこれが前記第１加圧体と前記第２加圧体との間に位置するように前記膜電極接合体または前記ガス拡散層の酸化剤ガス出口側に配置し、
前記加圧工程では、前記スペーサにより、前記膜電極接合体または前記ガス拡散層の酸化剤ガス出口側の加圧量を、前記膜電極接合体または前記ガス拡散層の酸化剤ガス入口側の加圧量よりも少なく設定することを特徴とする燃料電池素材の加圧方法。
【請求項３】
請求項２において、前記スペーサは、加圧方向と交差する方向に位置調整可能とされていることを特徴とする燃料電池素材の加圧方法。
【請求項４】
膜電極接合体またはガス拡散層と、これらを厚み方向に加圧可能な第１加圧体及び第２加圧体とを用意する工程と、
前記膜電極接合体または前記ガス拡散層を前記第１加圧体及び前記第２加圧体で挟んで厚み方向に加圧する加圧工程とを実施する燃料電池素材の加圧方法において、
前記第１加圧体の第１加圧面及び前記第２加圧体の第２加圧面のうちの少なくとも一方は、
前記膜電極接合体または前記ガス拡散層の酸化剤ガス出口側の加圧量を、前記膜電極接合体または前記ガス拡散層の酸化剤ガス入口側の加圧量よりも少なく設定する表面を有するように設定されていることを特徴とする燃料電池素材の加圧方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項において、前記第１加圧体及び前記第２加圧体は、上下方向に開閉可能な構造、または、回転ロール構造とされていることを特徴とする燃料電池素材の加圧方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は膜電極接合体やガス拡散層等の燃料電池素材を製造する加圧方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（membrane electrode assembly）ともいう）は、酸化剤含有ガスとしての空気が導入される空気極（酸化剤極）と、燃料が導入される燃料極とで電解膜を挟持したものである。空気極は、空気が拡散されるガス拡散層を備える。燃料極は、燃料が拡散されるガス拡散層を備える。
【０００３】
燃料電池においては、発電時に電解質膜を透過してきたプロトンは、電解質膜と空気極との界面に存在する触媒層で酸素との反応が進む。空気極側では発電反応に起因して水が生成される。特に、燃料電池の高電流密度領域では、空気極側において水が増加するため、フラッディング現象が生じることがある。フラッディング現象は水がガス流路を塞ぐことをいう。この現象が生じると、空気極内を拡散してきた酸素ガスと触媒との反応性が低下し、燃料電池の出力密度が低下し、電池性能が不安定化される要因となる。このフラッディング現象を抑制するために、従来、電解質膜と接触する触媒層側からガス拡散層側に向かって、撥水剤濃度を減少させる方法（特許文献１）、空気極の触媒層の撥水性を低くして水の排出を容易にする方法（特許文献２）が開発されている。
【特許文献１】特開2003−109604号公報
【特許文献２】特開平6−52871号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池によれば、前述したように、ＭＥＡの空気出口側においては水の量が増加するため、フラッディング現象が生じやすい。即ち、ＭＥＡの空気出口側において、触媒が水没したり、ガス拡散層の空気流路、触媒層の空気流路が水により閉塞される傾向がある。このため燃料電池の発電性能の向上には限界がある。
【０００５】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、膜電極接合体（ＭＥＡ）またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の気孔率を、酸化剤ガス入口側よりも相対的に高めに設定することができ、これにより酸化剤ガス出口側の水の排出性を確保することができ、燃料電池の発電性能を向上させるのに有利な燃料電池素材の加圧方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）第１発明に係る燃料電池素材の加圧方法は、膜電極接合体またはガス拡散層と、これらを厚み方向に加圧可能な第１加圧体及び第２加圧体とを用意する工程と、膜電極接合体またはガス拡散層を第１加圧体及び第２加圧体で挟んで厚み方向に加圧する加圧工程とを実施する燃料電池素材の加圧方法において、加圧工程では、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の加圧量を、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス入口側の加圧量よりも少なく設定することを特徴とするものである。燃料電池素材としては膜電極接合体またはガス拡散層が挙げられる。
【０００７】
第１発明に係る燃料電池素材の加圧方法によれば、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の加圧量は、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス入口側の加圧量よりも少なく設定される。これにより膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の気孔率が、酸化剤ガス入口側よりも相対的に高めに設定される。このため膜電極接合体またはガス拡散層における酸化剤ガス出口側の水排出性が確保される。
【０００８】
（２）第２発明に係る燃料電池素材の加圧方法は、膜電極接合体またはガス拡散層と、これらを厚み方向に加圧可能な第１加圧体及び第２加圧体とを用意する工程と、膜電極接合体またはガス拡散層を第１加圧体及び第２加圧体で挟んで厚み方向に加圧する加圧工程とを実施する燃料電池素材の加圧方法において、加圧に先立ち、スペーサをこれが第１加圧体と第２加圧体との間に位置するように膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側に配置し、加圧工程では、スペーサにより、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の加圧量を、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス入口側の加圧量よりも少なく設定することを特徴とするものである。
【０００９】
第２発明に係る燃料電池素材の加圧方法によれば、加圧に先立ち、スペーサをこれが第１加圧体と第２加圧体との間に位置するように膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側に配置する。そして加圧工程では、スペーサにより、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の加圧量は、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス入口側の加圧量よりも少なく設定される。これにより膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の気孔率が、酸化剤ガス入口側よりも相対的に高めに設定される。このため膜電極接合体またはガス拡散層における酸化剤ガス出口側の水排出性が確保される。
【００１０】
スペーサの形状、構造、材質としては特に限定されるものではなく、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の加圧量を、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス入口側の加圧量よりも少なく設定できるものであれば、何でも良い。スペーサの材質は特に限定されないが、金属（例えばステンレス等の合金）、セラミックス（例えば窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素等）等のように硬い材質、耐食性が良い材質をもつものを例示できる。スペーサとしては、加圧方向と交差する方向（例えば、酸化剤ガス出口側と酸化剤ガス入口側とを仮想的に結ぶ方向）に位置調整可能とされていることが好ましい。この場合、酸化剤ガス出口側の加圧量を調整するのに有利である。
【００１１】
（３）第３発明に係る燃料電池素材の加圧方法は、膜電極接合体またはガス拡散層と、これらを厚み方向に加圧可能な第１加圧体及び第２加圧体とを用意する工程と、膜電極接合体またはガス拡散層を第１加圧体及び第２加圧体で挟んで厚み方向に加圧する加圧工程とを実施する燃料電池素材の加圧方法において、第１加圧体の第１加圧面及び第２加圧体の第２加圧面のうちの少なくとも一方は、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の加圧量を、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス入口側の加圧量よりも少なく設定する表面を有するように設定されていることを特徴とするものである。
【００１２】
第３発明に係る燃料電池素材の加圧方法によれば、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の加圧量を、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス入口側の加圧量よりも少なく設定する表面を有するように、第１加圧体の第１加圧面及び第２加圧体の第２加圧面のうちの少なくとも一方は設定されている。これにより膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の気孔率が、酸化剤ガス入口側よりも相対的に高めに設定される。このため膜電極接合体またはガス拡散層における酸化剤ガス出口側の水排出性が確保される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の気孔率を、酸化剤ガス入口側よりも相対的に高めに維持することができる。これにより膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側において、水の排出性を確保することができ、フラッディング現象を抑制することができる。よって燃料電池の発電性能の向上に有利となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
各本発明によれば、好ましくは、第１加圧体及び第２加圧体は、上下方向に開閉可能な構造、または、回転ロール構造とされている。以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ具体的に説明する。
【００１５】
（実施形態１）
図１は実施形態１の概念を示す。図１に示すように、実質的に均等厚みをもつ膜電極接合体１００またはガス拡散層２００と、これらを厚み方向に加圧可能な第１加圧面３１０Ａを有する第１加圧体３００Ａと、第２加圧面４１０Ａを有する第２加圧体４００Ａとを用意する。第１加圧体３００Ａは昇降可能である。第２加圧体４００Ａは固定されている。そして、膜電極接合体１００またはガス拡散層２００を第１加圧体３００Ａの第１加圧面３１０Ａ及び第２加圧体４００Ａの第２加圧面４１０Ａで挟んで厚み方向（矢印Ｔ方向）に加圧する加圧工程を実施する。加圧に先立ち、加圧量を規制する加圧量規制手段として機能するスペーサ６０Ａを、第１加圧体３００Ａと第２加圧体４００Ａとの間に位置させる。スペーサ６０Ａは、膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の空気入口側（酸化剤ガス入口側）ではなく、空気出口側（酸化剤ガス出口側）に配置される。スペーサ６０Ａの上面６０ｕは、膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の上面よりも上方に突出している。
【００１６】
そして加圧工程では、スペーサ６０Ａによる加圧量規制効果に基づき、膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の空気出口側の厚み方向の加圧量（圧縮量）Ｐoutは、膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の空気入口側の厚み方向の加圧量（圧縮量）Ｐinよりも少なく設定される。
【００１７】
これにより膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の空気出口側の気孔率Ｖoutが、空気入口側の気孔率Ｖinよりも相対的に高めに設定される。このため膜電極接合体１００またはガス拡散層２００における空気出口側の水排出性が確保される。よって空気出口側のフラッディング現象が抑制される。スペーサ６０Ａは、加圧方向と交差する方向（矢印Ｘ１，Ｘ２方向）に位置調整可能とされていることが好ましい。これにより空気出口側の加圧量を調整できる。矢印Ｘ１方向は膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の中央に近づく方向を示す。矢印Ｘ２方向は膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の中央から離間する方向を示す。スペーサ６０Ａの材質は特に限定されないが、金属、セラミックス等のように硬い材質をもつものを例示できる。膜電極接合体１００またはガス拡散層２００について、（空気出口部の気孔率／空気入口部の気孔率）の比率をβとすると、βとしては、１．０２〜２、あるいは１．０２〜１．４、あるいは１．０２〜１．２とすることができる。
【００１８】
（実施形態２）
図２は実施形態２の概念を示す。図２に示すように、実質的に均等厚みをもつ膜電極接合体１００またはガス拡散層２００と、これらを厚み方向に加圧可能な第１加圧面３１０Ｂを有する第１加圧体３００Ｂと、第２加圧面４１０Ｂを有する第２加圧体４００Ｂとを用意する。第１加圧体３００Ｂ及び第２加圧体４００Ｂはロール状とされており、回転ロール方式とされている。一般的には、第１加圧体３００Ｂを矢印Ｋ１方向に回転させつつ第２加圧体４００Ｂを矢印Ｋ２方向に回転させる。そして、膜電極接合体１００またはガス拡散層２００を、第１加圧体３００Ｂの第１加圧面３１０Ｂ及び第２加圧体４００Ｂの第２加圧面４１０Ｂとの間に挿入することにより、厚み方向（矢印Ｔ方向）にロール加圧する加圧工程を実施する。ロール加圧にあたり、スペーサ６０Ｂをこれが第１加圧体３００Ｂと第２加圧体４００Ｂとの間に位置させる。スペーサ６０Ｂは、膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の空気出口側に配置される。
【００１９】
そして加圧工程では、スペーサ６０Ｂによる加圧量規制効果に基づいて、膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の空気出口側の厚み方向の加圧量Ｐoutは、膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の空気入口側の厚み方向の加圧量Ｐinよりも少なく設定される。これにより膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の空気出口側の気孔率Ｖoutが、空気入口側の気孔率Ｖinよりも相対的に高めに設定される。このため膜電極接合体１００またはガス拡散層２００における空気出口側の水排出性が確保される。よって、空気出口側のフラッディング現象が抑制される。スペーサ６０Ｂは、加圧方向と交差する方向（矢印Ｙ１，Ｙ２方向）に位置調整可能とされていることが好ましい。これにより空気出口側の加圧量を調整できる。矢印Ｙ１方向は、第１加圧体３００Ｂ及び第２加圧体４００Ｂの軸長方向に沿って膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の中央に近づく方向を示す。矢印Ｙ２方向は、第１加圧体３００Ｂ及び第２加圧体４００Ｂの軸長方向に沿って膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の中央から離間する方向を示す。スペーサ６０Ｂの材質は特に限定されないが、金属、セラミックス等のように硬い材質をもつものを例示できる。
【００２０】
（実施形態３）
図３は実施形態３の概念を示す。図３に示すように、実質的に均等厚みをもつ膜電極接合体１００またはガス拡散層２００と、これらを厚み方向に加圧可能な第１加圧面３１０Ｃを有する第１加圧体３００Ｃと、第２加圧面４１０Ｃを有する第２加圧体４００Ｃとを用意する。第１加圧体３００Ｃは昇降可能である。第２加圧体４００Ｃは固定されている。そして、膜電極接合体１００またはガス拡散層２００を第１加圧体３００Ｃ及び第２加圧体４００Ｃで挟んで厚み方向（矢印Ｔ方向）に加圧する加圧工程を実施する。第１加圧体３００Ｃの第１加圧面３１０Ｃは、仮想水平線Ｐ１に対して角度θ１傾斜されている。この結果、第１加圧面３１０Ｃについては、空気出口側を加圧する部分３１２Ｃは、空気入口側を加圧する部分３１３Ｃよりも、上方（矢印Ｕ方向）に退避している。第２加圧体４００Ｃの第２加圧面４１０Ｃは、仮想水平線Ｐ１に沿っている。
【００２１】
このように角度θ１傾斜しているため、膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の空気出口側の厚み方向の加圧量Ｐoutは、膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の空気入口側の厚み方向の加圧量Ｐinよりも少なく設定される。即ち、前述したように、第１加圧体３００Ｃの第１加圧面３１０Ｃは、膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の空気出口側が上方（矢印Ｕ方向）に退避するような表面を有するように設定されている。これにより膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の空気出口側の気孔率Ｖoutが、空気入口側の気孔率Ｖinよりも相対的に高めに設定される。このため膜電極接合体１００またはガス拡散層２００における空気出口側の水排出性が確保され、空気出口側のフラッディング現象が抑制される。なお、図３では第１加圧体３００Ｃの第１加圧面３１０Ｃは、仮想水平線Ｐ１に対して角度θ１傾斜されているが、これに限らず、空気出口側の加圧量（圧縮量）を小さくするように、第２加圧体４００Ｃの第２加圧面４１０Ｃが仮想水平線Ｐ１に対して角度θ１傾斜されていても良い。
【００２２】
（実施形態４）
図４は実施形態４の概念を示す。図４に示すように、実質的に均等厚みをもつ膜電極接合体１００またはガス拡散層２００と、これらを厚み方向に加圧可能な第１加圧面３１０Ｄを有する第１加圧体３００Ｄと、第２加圧面４１０Ｄを有する第２加圧体４００Ｄとを用意する。第１加圧体３００Ｄ及び第２加圧体４００Ｄはロール状であり、回転ロール方式とされている。そして、膜電極接合体１００またはガス拡散層２００を、第１加圧体３００Ｄ及び第２加圧体４００Ｄで挟んで厚み方向（矢印Ｔ方向）に加圧する加圧工程を実施する。第１加圧体３００Ｄの軸芯Ｍ１と、第２加圧体４００Ｄの軸芯Ｍ２とは、相対的に角度θ２傾斜している。従って、第１加圧体３００Ｄの第１加圧面３１０Ｄと第２加圧体４００Ｄの第２加圧面４１０Ｄとの隙間をαとすると、隙間αは、膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の空気出口側において、空気入口側よりも相対的に大きく設定されている。この結果、膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の空気出口側の厚み方向の加圧量Ｐoutは、膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の空気入口側の厚み方向の加圧量Ｐinよりも少なく設定される。これにより膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の空気出口側の気孔率Ｖoutが、空気入口側の気孔率Ｖinよりも相対的に高めに設定される。このため膜電極接合体１００またはガス拡散層２００における空気出口側の水排出性が確保され、空気出口側のフラッディング現象が抑制される。
【００２３】
（実施形態５）
図５は実施形態５の概念を示す。図５に示すように、実質的に均等厚みをもつ膜電極接合体１００またはガス拡散層２００と、これらを厚み方向に加圧可能な第１加圧面３１０Ｅを有する第１加圧体３００Ｅと、第２加圧面４１０Ｅを有する第２加圧体４００Ｅとを用意する。第１加圧体３００Ｅは昇降可能である。第２加圧体４００Ｅは固定されている。第１加圧体３００Ｅの第１加圧面３１０Ｅについては、空気出口側に対面する面３１２Ｅは、空気入口側に対面する面３１３Ｅよりも上方（矢印Ｕ方向）にΔγ退避している。第２加圧体４００Ｅの第２加圧面４１０Ｅは、仮想水平線Ｐ１に沿っている。
【００２４】
そして、膜電極接合体１００またはガス拡散層２００を第１加圧体３００Ｅ及び第２加圧体４００Ｅで挟んで厚み方向（矢印Ｔ方向）に加圧する加圧工程を実施する。このようにΔγ退避しているため、膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の空気出口側の厚み方向の加圧量Ｐoutは、膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の空気入口側の厚み方向の加圧量Ｐinよりも少なく設定される。これにより膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の空気出口側の気孔率Ｖoutが、空気入口側の気孔率Ｖinよりも相対的に高めに設定される。このため膜電極接合体１００またはガス拡散層２００における空気出口側の水排出性が確保される。よって空気出口側のフラッディング現象が抑制される。なお、図５では第１加圧体３００Ｅの第１加圧面３１０Ｅのうち面３１２Ｅは、上方（矢印Ｕ方向）にΔγ退避しているが、これに限らず、空気出口側の加圧量を小さくさせるように、第２加圧体４００Ｅの第２加圧面４１０Ｅが下方（矢印Ｄ方向）にΔγ退避していても良い。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明の実施例を具体的に説明する。本実施例は固定高分子型の燃料電池に適用している。
（１）ガス拡散層の形成
1000gの水に300gのカーボンブラック（導電性物質）を混入し、混入液を形成した。この混入液を攪拌機により10分間攪拌した。更に、撥水剤として機能できるPTFE（ダイキン工業株式会社製のテトラフルオロエチレン）を含有する濃度が60重量％のディパージョン原液（商品名：POLYFLON Dlグレード）250gを、混入液に添加した。これを更に10分間攪拌して、カーボンインクを形成した。そして、ガス拡散層の基材であるカーボンペーパー（東レ株式会社製、トレカTGP−060、厚さ180μm）を上記カーボンインクに投入した。これによりカーボンペーパーに充分に、PTFEを含むディスパージョン原液（撥水剤）を含浸させた。次に、80℃の温度に保った乾燥炉を用い、ディスパージョン原液（撥水剤）を含浸したカーボンペーパーの余分な水分を乾燥炉で蒸発させた。その後、焼結温度390℃で60分間保持して、PTFEを焼結し、撥水カーボンペーパーを２個作製し、図６（Ａ）に示すように、燃料極用のガス拡散層１０及び酸化剤極用のガス拡散層１１とした。
【００２６】
（２）触媒ペーストの形成
白金担持濃度が55wt％の白金担持カーボン（田中貴金属工業株式会社製、TEClOE60E）を用いた。白金担持カ一ボンは、触媒である白金を担持したカーボン微小体（導電性微小体）である。そして白金担持カーボン12gと、5wt％濃度のイオン交換樹脂溶液（旭化成工業株式会社製、SS−1080）127gと、溶媒としての水23gと、成形助剤としてのイソプロピルアルコール23gとを充分に混合し、酸化剤極用の触媒ペーストを製作した。前記したイオン交換樹脂溶液は、イオン伝導性（プロトン伝導性）をもつ炭化フッ素系の電解質ポリマー（ガラス転移温度：120℃）を主要成分としており、これを液状媒体としての水とエタノールとの混合溶液に溶解または分散させたものである。具体的には、本実施例によれば、炭化フッ素系の電解質ポリマーは、パーフルオロスルホン酸を主成分としている。
【００２７】
（３）積層体の形成
ドクターブレード法によリ、上記した触媒ペーストをフッ素樹脂製のシート１３に塗布して酸化剤極用の触媒層１４を形成した（図６（Ｂ）参照）。この場合、触媒層１４において、単位面積当たりの白金担持量が0．6mg／cm2になるようにした。その後、触媒層１４を乾燥させて、酸化剤極シート１５とした（図６（Ｂ）参照））。
【００２８】
また、燃料極用の触媒金属として、白金担持カーボンの代わりに白金ルテニウム合金担持カーボン（田中貴金属工業株式会社製、TEC61E54）を用いた。そして白金ルテニウム合金担持カーボンを用い、前述と同様な方法によって、燃料極用の触媒ペーストを形成した。この場合、白金ルテニウム合金担持カーボンにおいて、白金の担持濃度は30wt％であり、ルテニウムの担持濃度は23wt％である。これは、白金とルテニウムとを担持したカーボン微小体（導電性微小体）である。この触媒ペーストをドクタープレード法によリフッ素樹脂製のシート１７に塗布し、燃料極用の触媒層１８（図６（Ｂ）参照）を形成した。この場合、触媒層１８において、単位面積当たりの白金担持量が0．6mg／cm2になるようにした。その後、燃料極用の触媒層１８を乾燥させ、燃料極シート１９（図６（Ｂ）参照）とした。更に、イオン伝導性をもつイオン交換膜（厚みが25μｍ，デュポン社製、商品名  Nafion 111）からなる電解質膜２０を用いた。電解質膜２０は端面２０ｆをもつ。そして、図６（Ｃ）に示すように、電解質膜２０の厚み方向の両側に上記の酸化剤極シート１５及び燃料極シート１９を配置した。これによりシート状の中間積層体２５を形成した。この場合、触媒層１４、１８と電解質膜２０の表出面とが接触するように積層した。そして温度120℃、圧力8MPa、時間1分間という条件で中間積層体２５を予備的に厚み方向にホットプレスし、電解質膜２０に触媒層１４、１８を転写した。その後、フッ素樹脂製のシート１３、１７を中間積層体２５から剥離した（図６（Ｄ）参照）。
【００２９】
（４）加圧工程
図６（Ｅ）に示すように、中間積層体２５の厚み方向の両側に、それぞれ、燃料極用のガス拡散層１０と酸化剤極用のガス拡散層１１とを配置し、ＭＥＡ３０を形成した。ＭＥＡ３０の厚みは、全域にわたり実質的に等しいと考えられる。そして、温度140℃、圧力8MPa、時間3分間というホットプレス条件で、ホットプレス型５０を用い、ＭＥＡ３０を厚み方向に加熱加圧してホットプレスした（図７参照）。
【００３０】
図７に示すように、ホットプレス型５０は、平坦な第１加圧面３１０を有する上型として機能する第１加圧体３００と、平坦な第２加圧面４１０を有する下型として機能する第２加圧体４００とを備えている。第１加圧体３００及び第２加圧体４００はそれぞれヒータを有する。そして、第２加圧体４００が固定されている状態において、第１加圧体３００を矢印Ｄ１方向に下降させることにより、ＭＥＡ３０をこれの厚み方向に加圧する。これによりＭＥＡ３０の一体化を進めた。
【００３１】
このようにホットプレスするにあたり、図７に示すように、第１加圧体３００と第２加圧体４００との間に、つまり、金属製（例えばステンレス等の合金）の第１中間板５０１と第２中間板５０２との間に、ステンレス製のスペーサ６０を配置してプレスした。スペーサ６０は、ＭＥＡ３０の空気出口側に配置されているが、空気入口側には配置されていない。
【００３２】
図７は加圧する前の状態を示す。図７はあくまでも概念を示すものであり、厚み方向において拡大して示す。図７は細部のサイズまで規定するものでない。上から下にかけて、第１加圧体３００、第１中間板５０１、ＭＥＡ３０、第２中間板５０２、第２加圧体４００の順に配置されている。ＭＥＡ３０は、これの厚み方向において、ガス拡散層１０、触媒層１４，電解質膜２０，触媒層１８，ガス拡散層１１の順に配置されている。触媒層１４，１８は、触媒を担持したカーボン微小体と、プロトン伝導性をもつ電解質成分とを有するとともに、ガス透過性を確保するように多孔質とされている。図７に示すように、スペーサ６０の上端面６０ｕは、加圧する前のＭＥＡ３０の上面３０ｕよりも上方にΔｈ突出している。スペーサ６０は加圧量規制効果を有する。このためＭＥＡ３０のうち空気出口部３２（酸化剤ガス出口部）の加圧量は、空気入口部（酸化剤ガス入口部）３１の加圧量よりも制限されて小さくなる。その理由としては、加圧工程において、スペーサ６０の影響により第１加圧体３００が変位したもの等によると推定される。従って、厚み方向において、ＭＥＡ３０の空気出口部３２の加圧量Ｐoutは、ＭＥＡ３０の空気入口部３１の加圧量Ｐinよりも少なく設定される。これによりＭＥＡ３０の空気出口部３２の気孔率Ｖoutが、空気入口部３１の気孔率Ｖinよりも相対的に高めに設定される。このためＭＥＡ３０における空気出口部３２の水排出性が確保され、空気出口部３２のフラッディング現象が抑制される。
【００３３】
以上説明したよう本実施例によれば、ＭＥＡ３０の空気出口部３２の厚み方向の加圧量は、膜電極接合体１００またはガス拡散層２００の空気入口部３１の厚み方向の加圧量よりも少なく設定される。これによりＭＥＡ３０の空気出口部３２の気孔率が、空気入口部３１の気孔率よりも相対的に高めに設定される。このためＭＥＡ３０における空気出口部３２の水排出性が確保され、空気出口部３２のフラッディング現象が抑制される。
【００３４】
更に、ＭＥＡ３０を加圧するときにスペーサ６０を用いるため、電解質膜２０に接合されているガス透過性を有する触媒層１４、１８それ自体についても、空気出口部の気孔率Ｖoutが、空気入口部の気孔率Ｖinよりも相対的に高めに設定されると考えられる。従って、触媒層１４、１８についても、空気出口部のフラッディング現象が抑制される。
【００３５】
なおスペーサ６０を、加圧方向と交差する方向つまり矢印Ｘ１，Ｘ２方向に位置調整すれば、ＭＥＡ３０の空気出口部３２の厚み方向の加圧量を可変的に調整することができる利点が得られる。この場合、ＭＥＡ３０の空気出口部３２の気孔率を調整することができ、ＭＥＡ３０における空気出口部３２の水排出性が確保される。スペーサ６０は平坦な上面６０ｕ及び平坦な下面６０ｄを有するため、加圧の際における受圧面積が確保され、スペーサ６０の変形、摩耗、損傷等の低減に有利である。図７はＭＥＡ３０、スペーサ６０については厚み方向に拡大して図示しているが、スペーサ６０は板状であるため、加圧の際における受圧面積が確保され、スペーサ６０の変形、摩耗、損傷等の低減に有利である。
【００３６】
（５）試験例
スペーサ６０の厚みを表１に示すように２０〜１００μｍにおいて変更し、気孔率を変えたＭＥＡ３０の試験片を形成した。他の条件は上記と同様とした。この場合、図８はプレスする状態の平面視を示す。図８及び図９は試験例で用いた試験片のサイズも併せて示す。図８において、スペーサ６０の寸法Ｌ１は５０ミリメートル、ガス拡散層１０の寸法Ｌ２は１７０ミリメートル、ガス拡散層１０の寸法Ｌ３は１３０ミリメートルとされている。本試験例では、ＭＥＡ３０において空気入口部３１及び空気出口部３２の定義としては、図９に示すように、寸法Ｌ４として規定される領域を空気入口部３１とし、寸法Ｌ５として規定される領域を空気出口部３２とした。寸法Ｌ４は５０ミリメートル、寸法Ｌ５は５０ミリメートルとした。このように形成したＭＥＡ３０について、気孔率、ガス拡散層と触媒層との密着度、発電性能をそれぞれ測定した。更に、（空気出口部３２の気孔率／空気入口部３１の気孔率）の比率を計算で求め、これをβとした。βとしては約１．０５〜１．２の範囲内とされている。
【００３７】
（気孔率の評価）
ＭＥＡ３０の気孔率については、ＭＥＡ３０のうち空気入口部３１と空気出口部３２との２箇所について測定した。気孔率測定装置は、Mic r ome ritic社製 AutoPore IV9500を用い、水銀圧入法に基づいて測定した。測定結果を表１に示す。
【００３８】
（ガス拡散層と触媒層との密着度の評価）
ホットプレス後のＭＥＡ３０を手作業ではがして、ガス拡散層と触媒層との密着度、触媒層の表面状態を外観目視により観察し、密着度を評価した。結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】
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（発電性能試験）
図１０は発電性能試験に使用した単セルの断面図を示す。３０はＭＥＡを示す。ＭＥＡ３０は固体高分子電解質膜２０を厚み方向に一対の電極（酸化剤極と燃料極）で挟持接合されて構成されている。このＭＥＡ３０の厚み方向の両側を、カーボン製のセパレータ１５０とセパレータ１８０で挟んで、単セル１００を作製した。一方のセパレータ１５０には酸化剤ガス供給口１５１、酸化剤ガス通流溝１５２、酸化剤ガス排出口１５３が設けられている。他方のセパレータ１８０には燃料ガス供給口１８１、燃料ガス通流溝１８２、燃料ガス排出口１８３が設けられている。酸化剤ガス供給口１５１より酸化剤ガス通流溝１５２を介して酸化剤極に2．5atm（252kPa）の空気を供給した。また、燃料ガス供給口１８１より燃料ガス通流溝１８２を介して燃料極に2．5atm（252kPa）の水素ガスを供給した。水分の加湿はバブリンク法により空気および水素ともに加湿して行った。セパレータ１５０とセパレータ１８０の電気端子から発電した電気を取り出し、外部の可変抵抗１９０で抵抗値を変えて電流密度とセル電圧とを測定した。測定結果を図１１に示す。
【００４０】
（比較例〉
比較例は上記した実施例１と基本的には同様の条件で形成されている。但し、比較例は、ホットプレス時にホットプレス型５０の間にステンレス製のスペーサを入れないでプレスされている。表１は、比較例について気孔率、ガス拡散層と触媒層との密着度に示す。比較例について発電性能試験を実施して行った結果を図１１に示す。
【００４１】
表１に示すように、ホットプレス時に第１加圧体３００と第２加圧体４００との間にスペーサ６０を介在させると、ＭＥＡ３０において、空気出口部３２の気孔率は空気入口部３１の気孔率よりも大きくなる。これは、スペーサ６０の圧縮量規制効果により、ＭＥＡ３０のうちスペーサ３０が遠い位置とされている空気入口部３１の方が加圧量が大きくなり、ＭＥＡ３０のうちスペーサ３０が近い位置とされている空気出口部３２の方が加圧量が小さくなるためと考えられる。ガス拡散層と触媒層との密着度の評価としては、実施例１，実施例２，実施例３については◎であり、かなり良好であった。また実施例４，実施例５については密着度の評価は○であった。
【００４２】
図１１に示すように、実施例１〜実施例３では、スペーサ６０を使用しない比較例よりも、燃料電池の出力が高くなっている。これは表１で示したように、実施例１〜実施例３では空気出口部３２の気孔率が高くなっているため、フラッディング現象が発生しにくくなっているためと推察される。実施例４，実施例５についても、発電性能試験を行っていないものの同様と推察される。
【００４３】
（その他）
図１２に示す他の実施例のように、スペーサ６０の位置決めを行う凸状の位置決め部４８０を第２加圧体４００の側の第２中間板５０２に設けることができる。この場合、矢印Ｘ１、Ｘ２方向におけるスペーサ６０の位置が確定されるため、ＭＥＡ３０の空気出口部３２の厚み方向の加圧量Ｐoutのバラツキが抑制される。これによりＭＥＡ３０の空気出口部３２の気孔率Ｖoutのバラツキが抑制され、ＭＥＡ３０の空気出口部３２における水の排出性のバラツキ低減に有利となる。
【００４４】
図１３（Ａ）（Ｂ）はＭＥＡ３０のうちセパレータに形成されているガス通流溝を模式的に投影したものである。ガス通流溝は各種のパターンをもつが、いずれも、ＭＥＡ３０の空気出口部３２の厚み方向の加圧量Ｐoutは、ＭＥＡ３０の空気入口部３１の厚み方向の加圧量Ｐinよりも少なく設定されている。これによりＭＥＡ３０の空気出口部３２の気孔率Ｖoutは、空気入口部３１の気孔率Ｖinよりも相対的に高めに維持されている。このため前述同様に、ＭＥＡ３０における空気出口部３２の水排出性が確保され、空気出口部３２のフラッディング現象が抑制される。その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施形態、実施例のみに限定されるものではなく、ホットプレスする場合に限らず、場合によっては常温領域でプレスすることにしても良い等、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は固体高分子型の燃料電池に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施形態１に係る断面図である。
【図２】実施形態２に係る斜視図である。
【図３】実施形態３に係る断面図である。
【図４】実施形態４に係る断面図である。
【図５】実施形態５に係る断面図である。
【図６】実施例に係り、（Ａ）〜（Ｅ）は製造過程を示す工程図である。
【図７】実施例に係り、スペーサを用いつつ第１加圧体及び第２加圧体でＭＥＡをプレスする状態を示す断面図である。
【図８】実施例に係り、スペーサを用いつつ第１加圧体及び第２加圧体でＭＥＡをプレスする状態を示す平面図である。
【図９】ＭＥＡの空気入口部及び空気出口部を示す構成図である。
【図１０】単位セルの断面図である。
【図１１】発電試験の結果を示すグラフである。
【図１２】他の実施例に係り、スペーサを用いつつ第１加圧体及び第２加圧体でＭＥＡをプレスする状態を示す断面図である。
【図１３】ＭＥＡにおけるガス流れを模式的に示す構成図である。
【符号の説明】
【００４７】
図中、３０はＭＥＡ、３１は空気入口部、３２は空気出口部、１００は膜電極接合体、２００はガス拡散層、３００は第１加圧体、３１０は第１加圧面、４００は第２加圧体、４１０は第２加圧面を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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